中国科学技术大学自旋磁共振实验室林毅恒教授团队与深圳大学李俊教授、杨晓东教授以及德国斯图加特大学Eric Lutz教授合作，在量子自持振子研究领域取得重要突破。研究团队在国际上首次利用单个离子实验实现了量子范德波尔振子（quantum van der Pol oscillator），演示了包括量子极限环的形成、量子同步及其增强等非经典行为。相关成果以“Experimental realization and synchronization of a quantum van der Pol oscillator”为题，于10月10日发表在国际学术期刊《Science Advances》上。

范德波尔振子是非线性自持振子的典范模型，能够在没有外部周期驱动的情况下自主产生并维持周期性运动。该模型在非线性动力学、混沌研究以及同步现象分析中具有基石地位，被广泛应用于物理、工程和生物等多个领域。其量子版本作为驱动-耗散开放量子系统的典范模型，近年来引起理论界的广泛关注。由于量子涨落和相干性的存在，量子范德波尔振子展现出许多区别于经典行为的新奇特性，对理解非平衡量子动力学和发展量子技术具有重要意义。

研究团队基于离子阱系统，以单个钙离子的轴向振动模式模拟量子谐振子，通过耗散工程方法引入可控的自旋-振子耦合，从而构造出所需的线性和非线性阻尼项。实验采用时序化操控，结合相干驱动与耗散操作，实现了量子范德波尔振子的有效动力学。

在无外部驱动条件下，实验首次观测到量子极限环（quantum limit cycle）的自发形成过程。当施加周期驱动后，系统表现出量子同步现象，不同初态都被锁定到与驱动频率一致的周期性运动，并呈现相位锁定。团队进一步绘制了同步区域随参数变化的阿诺德舌头（Arnold tongue），验证了量子同步的鲁棒性。

实验研究特别揭示了若干非经典效应：在深量子区域中，适度的线性耗散反而能够增强同步特性，这一现象与经典行为有本质区别；通过施加特定方向的非经典压缩操作，可以有效抑制量子噪声，显著提高同步的稳定性；而在强压缩条件下，系统会出现相空间分布的分岔现象（bifurcation），形成双稳态特征，展现出丰富的非线性量子动力学行为。

该研究成果为实验研究量子谐振子及其非线性动力学提供了全新平台，有望应用于量子传感、量子态制备和量子机器学习等领域。此外，将该系统扩展至振子网络可揭示新的集体现象，在推动量子技术发展和深化对非平衡量子动力学的理解方面具有重要潜力。这一成果建立在团队近年来在开放量子系统与自旋–振子量子模拟方向的持续积累基础上，相关前期工作包括多模纠缠态的耗散制备[Sci. Adv.11,eadv7838(2025)]，量子拉比模型的对称性研究[Phys. Rev. Lett. 134, 193604(2025)]，量子热机的相干性研究[Nat. Commun.16, 5127 (2025)]等。

中国科学技术大学博士研究生李易和谢子晗为本文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部等项目的支持。